基于虚拟仿真的工业机器人教学研究

蔡宇翔

（台州科技职业学院机电与模具工程学院，浙江 台州 318020）

引言

2015年，国务院审议通过《中国制2025》，其中明确指出：“促进机器人标准化、规模化发展，扩大市场应用”。[1]随着中国人口红利的逐渐消失，自动化、智能化成为了当前中国产业升级的现实需求。工业机器人其优势在于可以适应不同的任务需求，是《中国制造2025》中明确提出并重点攻关的核心技术，掌握机器人的原理和使用方法是未来技能型人才的一项重要技能。

在这一大背景下，高校在智能制造方面在课程开发、教学研究等方面均开始探索新型人才培养方式。随着智能设备的复杂化、集成化，其价格不断上升，传统的设备式教学已经无法满足学生人均设备增长的需求，迫切需要仿真技术来满足教学需求。

一、当前教学所存在的问题

（一）教学资源单一

目前市面上关于机器人仿真的书籍不多，且教学资源也严重同质化[4]。但随着时代的发展，现有教学资源逐渐缺乏新颖性，导致学生学习兴趣逐渐降低。

（二）教学内容缺乏系统化

当前工业机器人教学偏向于机器人本体的基本操作，实际设备由于功能固定，进行拓展教学时无法发挥实际设备的优势，难以形成系统化的教学项目。

针对上述问题，如何从生产实际出发，通过工业机器人虚拟仿真来满足社会对高端智能制造人才的需求，是目前教学所必须要解决的问题。

二、企业需求及岗位能力分析

通过深入多家企业的调研，我们发现在自动化企业中，机器人控制技术员的一部分主要职责是：针对新产品编写机器人运行程序、完成企业内部机器人的维护和保养工作、、承担新生产工艺流程的仿真规划等。因此，从企业调研中我们发现，机器人操作类的专业人才除了具备过硬的专业知识和基本编程技能，还应掌握机器人虚拟仿真技术，能够在项目中向客户展示成功案例、生产实际工艺，通过仿真展示生产工艺流程，预先使生产过程可视化，这是未来机器人工程师技术能力的趋势，十分受用人单位的欢迎。

三、基于虚拟仿真的机器人教学探索

《国家职业教育改革实施方案》指出，要积极推动“学历证书+若干职业技能等级证书”制度。在工业机器人中级职业技能中，明确规定了技术人员对机器人操作的要求。针对上述要求，可以通过ABB仿真软件Robot Studio来实现相关的教学内容。

Robot Studio是一款优秀的仿真软件，其囊括了ABB公司目前在售的所有类型工业机器人产品，能够在软件中实现机器人及其附属设备的仿真和控制功能。其主要功能包括：模拟控制与轨迹仿真、自定义工具及装置的创建、Smart组件外围设备功能仿真、高级编程环境RAPID等。

（一）仿真软件在教学中的应用

在工业机器人中，学生的主要操作和练习主要通过示教器进行。通过仿真软件Robot Studio教学的主要内容有：

1.机器人的坐标系统

在真实的机器人环境中，学生经常会搞不清坐标系的方向，也不清楚坐标系是否正确创立，这种情况偶尔可能也会导致机器人工具发生碰撞造成机器人损坏，特别是在示教某一个点或移动机器人时。而虚拟仿真能直观地通过颜色显示大地坐标系、工具坐标系、用户坐标系的位置和方向。学生们在操作中通过结果再回想操作过程，可以清楚知道自己在过程中所定义坐标数据的作用，降低实操风险。

2.示教器的基本用法与基本轨迹编程

虚拟仿真另一个优秀的地方在于，它所包含的虚拟示教器与真实的机器人示教器无论是界面还是用法均相同。在虚拟示教器中的操作能够在机器人视图中显示出来，包括运行的轨迹、运行速度等等。掌握了虚拟示教器的用法也就掌握了真实示教器的用法。

3.机器人的工具创建方法

对于常用的机器人工具，目前主要可以分为可活动和不可活动两大类，可活动的工具例如气爪，其内部零部件可以进行活动，有一定自由度；不可活动工具如焊枪、吸盘等，其工具内部零部件是不可运动的。这两类工具在Robot Studio中采用不同的创建方法。对于不可活动工具，采用的是创建工具方法，对于可活动的工具，采用的是创建机械装置的方法。学生通过学习和掌握这两种工具的创建方法，可以完成90%以上的工具类型创建。在后续的课程中，如机器人系统集成、夹具设计等，通过导入设计好的工具来完成项目内容的展示，使工艺流程更加直观。

4.高级程序的编程

在示教器中，基本的语句编程使用起来较为方便，但是教器不同于高级编程环境，当遇到复杂的逻辑编程时，使用示教器相当不方便。在虚拟仿真的RAPID编程环境下，可以非常方便地修改语句，使用者可以如同使用高级语言编程环境（如Visual Studio）一样使用机器人编程语言。与示教器相比RAPID编程环境使用非常灵活，学生们通过RAPID程序练习，学习进度大大地超越了原来的仅靠设备练习，有些较为优秀的学生甚至能够实现逻辑复杂的机器人控制程序，例如在机器人执行多重嵌套循环任务时，需要用到变量的定义，这在示教器中做比较麻烦，而在RAPID中可以像C语言一样直接在编辑器中给变量声明和定义，并直接在程序中使用。但RAPID编程环境也是一把双刃剑，它需要学生有一定的C语言基础，且对基本的机器人轨迹运行指令的结构需要有一定的熟悉，否则容易造成语法错误。

5.系统创建与多重工艺包模块

一般机器人设备在购买后，机器人系统就已经固化在控制器中，而在Robot Studio中，机器人系统必须主动创建，在创建系统的过程中，可以根据自身的工艺需求，添加不同的工艺模块，如焊接、喷涂等。以弧焊为例，许多高校并没有焊接设备，但学生毕业后难免会接触到焊接工艺。作为机器人基本功能的拓展，在仿真软件中创建机器人系统时，就可以将弧焊模块添加进去。添加弧焊模块后，学生可以通过焊接指令、焊接参数等，通过TCP轨迹来查看焊接的工艺情况，可以实现摆弧等工艺操作，扩大学生的知识面。

（二）学生练习与考核

我校的机器人工作站设备是基于ABB机器人的物料分拣与仓储工作站，该单站系统包括了输送链、图像识别、码垛仓储等功能。在课堂教学与实训中，针对学校的设备，要求学生从建模出发，将机器人的外围设备绘制并添加至仿真系统中，再通过Smart组件实现外围设备的功能，并通过Screen Maker定制示教器界面，学生们分工合作完成整个工作站的建模、仿真与编程工作。这是一项融合CAD绘图与机器人仿真的综合项目。在教学中将工作站的内容细化，项目的每一部分融合到教学过程中，CAD绘图内容让学生课后完成，而机器人工具创建、轨迹程序编写、Smart组件创建、自定义Screen Maker等，均是跟随教学进度，循序渐进带领学生完成，学生在学期结束后可以发现自己已经能够独立完成工作站仿真的80%任务。

Robot Studio仿真软件也方便了学生的作业批改与期末考核，其能够将仿真结果输出成可调整视角的exe格式文件，方便教师进行打分。在教学中，应坚持“作业以结果为导向、考试以过程为导向”，在给学生压力的同时也保证了公平性。

四、结束语

在经过几个学期的实践，随着项目的增多，虚拟仿真的素材增多，学生所能学习和练习的内容也逐渐增多。相比于一开始就上真实设备操作，虚拟仿真能够锻炼学生的思维能力、编程能力，且趣味性也更强，学生们学起来也更有乐趣。学生们通过虚拟仿真软件，对机器人的整体认知、机器人的编程能力有了极大的提高，因此工业机器人的虚拟仿真将会在高校工业机器人教学中发挥越来越大的作用。